2026年8月3日——将基于金刚石的量子传感器植入活细胞，可以获得关于生命运作方式和疾病形成机制的前所未有的细节。

“把它想象成单细胞的动态心电图——一种实时一次性捕捉细胞内一切动态的方式，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Aaron Esser-Kahn表示。“我们经常监测人体的生命体征——心率、呼吸、体温——但到目前为止，还没有一种等效的方法来测量细胞的‘生命体征’。”

来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）和爱荷华大学的跨学科研究团队，最初的目标是让基于金刚石的量子生物传感器毒性更低、炎症反应更小，整体上对细胞更友好，却意外获得了新的见解，推翻了一个限制传感器有效性的重要假设。

“我们找到了拼图中缺失的一块，”2025届博士Uri Zvi表示。他是发表在《Advanced Materials》上的这篇论文的第一作者。

当植入活细胞后，基于金刚石的生物传感器会发生称为“零场分裂”（ZFS）的能级移动，从而降低传感器的有效性。人们一直以为这些移动是金刚石对细胞温度的反应。

“众所周知，金刚石中量子比特的零场分裂会受到温度影响。因此当人们观察到零场分裂移动时，就认为这些移动是由局部温度变化引起的，即由细胞活动引起的，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院副教授Peter Maurer表示。他是这项新研究的共同通讯作者，其他共同通讯作者还包括Esser-Kahn和爱荷华大学助理教授Denis Candido。

然而，他们发现导致这种移动的是金刚石的表面。Maurer表示，借助这一更深入的理解，可以获得更详细的细胞读数。

“这篇论文取得了两项重大进展，”Maurer说。“首先，它解决了围绕金刚石纳米颗粒中量子比特共振移动起源的长期讨论，此前这些移动一直与细胞活动引起的产热相关。我们证明了这些移动不是由温度引起的，而是由表面效应引起的。其次，我们证明了观察到的量子比特共振移动可以与细胞过程联系起来，并可能成为探测细胞活动的一种有趣替代指标。”

循着线索

此前的一项跨学科突破既带来了这个谜团，也为团队提供了破解它的工具。

去年，Zvi、免疫工程师Esser-Kahn、量子工程师Maurer和理论物理学家Candido合作开发了一种新的外壳封装生物传感器，其灵感来自量子点LED电视所用的技术。

他们发现，用二氧化硅涂覆传感器原本只是为了减轻金刚石对细胞的刺激，却也创造了一种稳定性大幅提高的传感器。Zvi表示，他们随后的调查发现了两件事，直接促成了这项新工作。

首先，这种涂层使电子从金刚石中心分散开来，无意中关闭了导致自旋噪声的陷阱。Zvi说，这就是性能提升的原因。其次，这种电子损失使金刚石仅内部的电荷从负变为正。

“当我们看到这一点时，我们开始想，‘嘿，这是一个显著的变化，’”Zvi说。

这开启了一种可能性，即电场效应的影响比人们想象的更大，促使他们修改了理论。但涂层传感器也让他们能够在实验上验证这一点。他们可以控制表面效应。

无论传感器是否涂覆，细胞的温度都是相同的，因此如果温度导致零场分裂移动，那么两种传感器都应该观察到这种移动。然而，他们发现二氧化硅涂层抑制了零场分裂移动。表面效应才是罪魁祸首。

“随后出现了那条重磅信息，”Zvi说。“我们在细胞内部测量到30分钟内5度的变化。这在热力学上根本不可能。”

‘无法解释且令人费解’

“我远非生物学专家，但细胞温度突然出现4到5摄氏度的变化是非常出乎意料的，”Candido开玩笑说。“作为一名理论物理学家，我总是喜欢实验学家拥有无法解释且令人费解的数据，所以这非常令人兴奋！”

尽管当前的研究表明，观察到的零场分裂移动并非由温度引起，但这一结论与之前的许多文献形成鲜明对比。Zvi表示，早期的研究曾将类似的零场分裂移动解释为细胞内温度变化1到10度的证据。

这促使Zvi和Candido回到理论推导的起点。他们不仅找到了零场分裂移动背后的真正元凶，还找到了一种区分温度变化和电场信号的重要方法。

未来的研究人员可以利用这一点，更准确地测量细胞温度，并开发出更好的生物传感器来理解生命本身。

“你可以设想能够追踪一个T细胞是变成调节性T细胞还是杀伤性T细胞，或者一个细胞是变成癌细胞还是健康细胞，”Zvi说。“有一个全新的世界等待探索，也有全新的方式来探索它。”